JPS61151466A - Method for measuring moving speed of matter - Google Patents

Method for measuring moving speed of matter

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JPS61151466A
JPS61151466A JP27723084A JP27723084A JPS61151466A JP S61151466 A JPS61151466 A JP S61151466A JP 27723084 A JP27723084 A JP 27723084A JP 27723084 A JP27723084 A JP 27723084A JP S61151466 A JPS61151466 A JP S61151466A
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JP
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region
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light
moving matter
laser beam
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Koji Morishita
森下 耕次
Hiroshi Kitajima
博史 北島
Tomiyoshi Yoshida
吉田 富省
Nobuo Nakatsuka
中塚 信雄
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Omron Corp
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Omron Tateisi Electronics Co
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Abstract

PURPOSE:To make it possible to measure the speed of moving matter with high accuracy, by arranging moving matter to the waist region of coherent light to irradiate the moving matter with coherent light and arranging a light receiving element so as to leave a specific distance from the moving matter. CONSTITUTION:A numeral 11 is a coherent laser beam source and anumeral 12 is a projection optical system for converting laser beam to a converging region, a waist region and a diffusion region and a numeral 13 is pervious moving matter which is arranged to the converging region and moves at a speed V and a numeral 14 is a photoelectric converter element which is arranged to a laser beam region. Because the photoelectric converter element 14 is arranged at a position spaced apart by R>=(piW0)/lambda from the moving matter 13, a speckle is brought to a boiling state on the surface of a perforated plate 16 and the highly accurate measurement of a speed is enabled. Herein, lambda is the wavelength of laser beam and w0 is a waist radius.

Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 この発明は、移動する物体に、レーザ光等のコヒーレン
ト光を照射し、得られるランダム干渉パターン(スペッ
クルパターン)を利用して、物体の移動速度を測定する
方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (a) Industrial application field This invention irradiates a moving object with coherent light such as a laser beam, and utilizes the resulting random interference pattern (speckle pattern) to This invention relates to a method for measuring the moving speed of a person.

(ロ)従来の技術 一般に、第3図に示すように、レーザ光源1より投光光
学系2を経て、コヒーレント光3を移動物体4に照射す
ると、この移動物体4で透過又は反射された光は、受光
点5で受けると、スペックルパターンの並進(トランス
レーション)運動とボイリング(スペックルが移動せず
、その場で光の強弱が生じ振動する)運動の2つの運動
を伴い、スペックルパターンが移動・変位することが知
られている(雑誌「レーザ研究」第8巻第2号、同第8
巻第3号)。同図において、受光点5で、の光変動の直
流を除去した規格化自己相関関数r(τ。
(b) Prior Art Generally, as shown in FIG. 3, when a moving object 4 is irradiated with coherent light 3 from a laser light source 1 through a projection optical system 2, the light transmitted or reflected by the moving object 4 is When received at the light receiving point 5, the speckle pattern undergoes two movements: translation movement and boiling movement (the speckle does not move, but the intensity of the light changes and oscillates on the spot). It is known that the pattern moves and displaces (Magazine "Laser Research" Vol. 8 No. 2, No. 8)
Volume No. 3). In the figure, at the light receiving point 5, the normalized autocorrelation function r(τ.

ν)は、 σ#1+□ ・・・・・・(2) とな・る。ν) is σ#1+□・・・・・・(2) Tonaru.

上記(11式は、物体速度Vの増加に伴い、自己相関関
数が減衰してゆくことを示しており、例えば相関が1/
eとなる時間をτC(自己相関長)とすると、(1)式
より。
The above (Equation 11) shows that the autocorrelation function attenuates as the object speed V increases, and for example, the correlation is 1/
If the time at which e is reached is τC (autocorrelation length), then from equation (1).

a:受口開口の半径 となる。このτCにより速度■が測定でき、この出願の
発明者等は、この原理を採用したスペックル速度計をす
でに出願している(特願昭59−54043号)。
a: Radius of socket opening. The speed (2) can be measured using this τC, and the inventors of this application have already filed an application for a speckle speedometer employing this principle (Japanese Patent Application No. 54043/1982).

また、光変動の単位時間当たりの零交叉数N。Also, the number N of zero crossings per unit time of light fluctuation.

も上記(1)式から計算され、 となる。この零交叉数Noを計数することによっても速
度■が測定でき、この出願の発明者等はこの原理を採用
したスペックル速度計についても、やはりすでに出願し
ている(実願昭58−106376号、特訓昭和59−
54041号)。
is also calculated from equation (1) above, and becomes: The speed ■ can also be measured by counting this zero-crossing number No. The inventors of this application have already filed an application for a speckle speedometer that adopts this principle (Utility Application No. 106376/1983). , special training 1982-
No. 54041).

上記した、すでに出願のスペックル速度計は、いずれも
収束ビームや拡大ビームによる照明法を採用していた。
All of the above-mentioned speckle velocimeters that have already been filed employ illumination methods using converging beams or expanding beams.

(ハ)発明が解決しようとする問題点 上記従来のスペックル速度計は、収束ビームや拡大ビー
ムを照明に利用し、上記(3)式あるいは(4)式に基
づいて速度■を測定するものであるから、照明領域に比
べ、粗物体の粗さ相関長さが比較的長い場合にはスペッ
クルが非ガウス的となり、また紙等は、にじみ現象によ
りスペックルが小さくなり、正常なスペックルサイズを
持たないスペックルが出来、そのため光変動の自己相関
関数が変化し、正しく測定が行われないという欠点があ
った。また、測定物体が例えば銅から紙、さらに布とい
うように変化する場合には、その測定物体によりΔXが
変化し、そのため信号処理部でいちいち物体変更の補正
をなさねばならなかった。さらにまた、照明ビームが完
全な球面波でなく、波面収差を含んでいる場合、スペッ
クルの並進が波面曲率に強く関係しているため、並進が
不安定となり、やはり測定精度が落ちるという欠点があ
った。
(c) Problems to be solved by the invention The conventional speckle velocity meter described above uses a convergent beam or an expanded beam for illumination, and measures the speed based on the above formula (3) or (4). Therefore, if the roughness correlation length of the rough object is relatively long compared to the illumination area, the speckles will be non-Gaussian, and for paper etc., the speckles will become smaller due to the bleeding phenomenon, and the speckles will be normal. This method has the drawback that speckles with no size are formed, which changes the autocorrelation function of light fluctuations, making it impossible to perform accurate measurements. Further, when the object to be measured changes, for example from copper to paper to cloth, ΔX changes depending on the object to be measured, and therefore the signal processing section has to make corrections for each change in object. Furthermore, if the illumination beam is not a perfect spherical wave but contains wavefront aberration, the translation of speckles is strongly related to the wavefront curvature, making the translation unstable, which also has the disadvantage of reducing measurement accuracy. there were.

この発明は、上記に鑑み、スペックルが非ガウス的とな
る場合、測定物体が変更される場合、また照明ビームが
波面収差を含む場合でも、物体の速度を高精度に測定で
きる物体の移動速度測定方法を提供することを目的とし
ている。
In view of the above, the present invention provides an object moving speed that allows the speed of the object to be measured with high accuracy even when the speckle becomes non-Gaussian, when the measurement object is changed, and even when the illumination beam contains wavefront aberration. The purpose is to provide a measurement method.

(ニ)問題点を解決するための手段及び作用この発明は
、上記問題点を解消するために、受光面でスペックルが
ボイリングするようにしている。スペックルがボイリン
グする光学配置は、測定物体を収束領域、ウェスト領域
及び拡散領域を持つコヒーレントの光のウェスト領域に
おき、受光面を物体から拡散領域に置く場合と、測定物
体を収束領域に、受光面をウェスト領域に配置する場合
が考えられるが、この発明は後者の配置を採用している
。すなわち、この発明の物体の速度測定方法は、光源よ
り発せられるコヒーレント光のウェスト領域に移動物体
を配置して、前記コヒーレント光を移動物体に照射し、
かつ移動物体からR=πW0′/λ (λ:レーザ光波
長、wo :ウエスト半径)以上の距離に受光素子を設
け、この受光素子で得られるスペックルパターンを信号
処理部で処理して移動速度を測定するようにしている。
(d) Means and operation for solving the problems In order to solve the above problems, the present invention makes speckles boil on the light-receiving surface. The optical arrangement that causes speckle boiling is when the measurement object is placed in the waist region of coherent light, which has a convergence region, a waist region, and a diffusion region, and the light receiving surface is placed from the object to the diffusion region, and the measurement object is placed in the convergence region, Although it is conceivable that the light-receiving surface may be arranged in the waist region, the present invention adopts the latter arrangement. That is, the method for measuring the speed of an object according to the present invention includes arranging a moving object in a waist region of coherent light emitted from a light source, and irradiating the moving object with the coherent light.
A light-receiving element is provided at a distance of R=πW0'/λ (λ: laser beam wavelength, wo: waist radius) or more from the moving object, and the speckle pattern obtained by this light-receiving element is processed by a signal processing unit to calculate the moving speed. I try to measure it.

この移動測定方法では、収束領域ではR=−ρであるの
で、R/ρ=−1となり、上記(2)式より、並進倍率
ρ=Oとなる。従って第(3)式及び第(4)式の古墳
がOとなる。そのため、相互相関長τC1零交叉数No
は、 V              π となり、いずれもΔX、ρ等が変動しても測定結果に影
響しない。
In this movement measurement method, since R=-ρ in the convergence region, R/ρ=-1, and from the above equation (2), the translational magnification ρ=O. Therefore, the burial mounds of formulas (3) and (4) are O. Therefore, the cross-correlation length τC1 zero crossover number No.
is V π , and even if ΔX, ρ, etc. fluctuate, the measurement results are not affected.

(ホ)実施例 以下、実施例により、この発明をさらに詳細に説明する
(E) Examples The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below.

第1図は、この発明が実施されるレーザスペックル速度
計の概略構成図である。同図において、11はコヒーレ
ントなビームを発するレーザ光源、12はレーザ光源1
1よりのビーム光を収束領域ウェスト領域及び拡散領域
を持つ光ビームに変換する投光光学系である。13は透
過性の移動物体であり、収束領域に配置され、光ビーム
に垂直の方向に、速度■で移動している。14は光電変
換素子であり、例えば光電管や半導体受光素子が使用さ
れる。この光電変換素子14は、光ビームのウェスト領
域に配置されている。光電素子14の前面にピンホール
開口15を備えた開口板16が設けられている。また光
電変換素子14には変換されたスペックルパターン信号
を処理するための信号処理部17が接続されている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser speckle velocimeter in which the present invention is implemented. In the figure, 11 is a laser light source that emits a coherent beam, and 12 is a laser light source 1.
This is a light projecting optical system that converts a beam of light from one direction into a light beam having a convergence region, a waist region, and a diffusion region. Reference numeral 13 denotes a transparent moving object, which is placed in the convergence region and is moving in a direction perpendicular to the light beam at a speed of ■. 14 is a photoelectric conversion element, for example, a phototube or a semiconductor light receiving element is used. This photoelectric conversion element 14 is arranged in the waist region of the light beam. An aperture plate 16 with pinhole apertures 15 is provided in front of the photoelectric element 14 . Further, a signal processing section 17 for processing the converted speckle pattern signal is connected to the photoelectric conversion element 14.

この信号処理部17は、第2図に示すように、光電変換
素子14よりのスペックルパターン信号を増幅する広帯
域増幅器18、増幅されたスペックルパターン信号より
直流分をカットする直流分除去回路19、さらにシュミ
ットトリガ回路20、ワンショットマルチ回路21、カ
ウンタ回路22及びクロック回路23から構成されてい
る。
As shown in FIG. 2, this signal processing section 17 includes a broadband amplifier 18 that amplifies the speckle pattern signal from the photoelectric conversion element 14, and a DC component removal circuit 19 that cuts the DC component from the amplified speckle pattern signal. , further comprising a Schmitt trigger circuit 20, a one-shot multi-circuit 21, a counter circuit 22, and a clock circuit 23.

この実施例レーザスペックル速度計において、レーザ光
源11よりレーザ光が出射されると、投光光学系12で
ビーム光(ガウスビームが望ましい)に変換される。こ
の場合のビームウェスト半径W0は波長をλとして、 となる。
In the laser speckle velocimeter of this embodiment, when a laser beam is emitted from a laser light source 11, it is converted into a light beam (preferably a Gaussian beam) by a projection optical system 12. In this case, the beam waist radius W0 is as follows, where the wavelength is λ.

ビームウェストに光電変換素子14が設けられ、移動物
体13が λ となる位置、すなわち収束領域に配置されているので、
R=−ρとなり、σ=Oとなるがら、被測定物体13が
速度■で移動しているとすると、開口板16面でスペッ
クルがボイリング状態となり、時間的に変動する。
Since the photoelectric conversion element 14 is provided at the beam waist and the moving object 13 is placed at the position of λ, that is, in the convergence region,
Assuming that R=-ρ and σ=O, and the object to be measured 13 is moving at a speed of ■, speckles become boiling on the surface of the aperture plate 16 and fluctuate over time.

この変動信号が光電変換素子14により電気信号に変換
され、信号処理部17に入力される。この時の変動の速
さは、物体13の移動速度Vに比例しており、この変動
の速さが信号処理部17で検出される。
This fluctuation signal is converted into an electrical signal by the photoelectric conversion element 14 and input to the signal processing section 17 . The speed of the change at this time is proportional to the moving speed V of the object 13, and the speed of this change is detected by the signal processing section 17.

信号処理部17では、先ず電気信号に変換されたスペッ
クル信号(変動信号)を広帯域増幅器18で所定のレベ
ルまで増幅し、増幅された信号をさらに零交叉数検出の
ために直流分除去回路19で直流分をカットし、さらに
シュミットトリガ回路20で零交叉時にハイとローが反
転するパルス列ヲ作成する。このパルス列がワンショッ
トマルチ回路21で所定のパルス幅に整形され、カウン
タ回路22で単位時間当たりの零交叉カウント数N o
 / 2が計数される。この零交叉数Noは、一般的な
理論式としては(4)式の通りであるが、この実施例で
はボイリング状態で受光しているので(4)式の古墳は
無視でき、 π W となる。従って、カウント回路22の計数値には、スペ
ックルサイズΔX、開ロ面積a、物体と光電変換素子間
の距離R、ビームの波面曲率ρの影響があられれず、た
とえ物体13の材質が変更され、ΔXが変化しても、ま
た波面曲率ρに歪みがあっても、その影響が速度測定に
影響せず、何らの補正の必要もない。
In the signal processing section 17, first, the speckle signal (fluctuation signal) converted into an electric signal is amplified to a predetermined level by a broadband amplifier 18, and the amplified signal is further passed through a DC component removal circuit 19 for zero-crossing detection. The DC component is cut off, and the Schmitt trigger circuit 20 creates a pulse train in which high and low are reversed at the time of zero crossing. This pulse train is shaped into a predetermined pulse width by the one-shot multi-circuit 21, and the number of zero-crossing counts per unit time is determined by the counter circuit 22.
/2 is counted. This zero crossing number No is as shown in equation (4) as a general theoretical equation, but in this example, since the light is received in a boiling state, the burial mound in equation (4) can be ignored, and it becomes π W . Therefore, the count value of the counting circuit 22 is not affected by the speckle size ΔX, the aperture area a, the distance R between the object and the photoelectric conversion element, and the wavefront curvature ρ of the beam, even if the material of the object 13 is changed. , ΔX change, or even if there is distortion in the wavefront curvature ρ, these effects do not affect the speed measurement and there is no need for any correction.

なお上記実施例では、信号処理部17として、零交叉数
検出回路を例に上げたが、これに限ることなく、自己相
関長τCを算出する回路を用いることも可能である。
In the above embodiment, a zero-crossing number detection circuit is used as an example of the signal processing unit 17, but the present invention is not limited to this, and a circuit for calculating the autocorrelation length τC may also be used.

(へ)発明の効果 この発明によれば、スペックルのボイリング状態で受光
される信号を処理して速度測定をなすものであるから、
スペックルサイズや波面曲率が測定結果に影響すること
がないので、精度の高い測定を行うことができる。また
、被測定物体が途中で変更されても何らの補正を要する
ことなく、そのまま測定を継続することができる。
(f) Effects of the Invention According to the present invention, speed measurement is performed by processing signals received in the boiling state of speckles.
Since speckle size and wavefront curvature do not affect measurement results, highly accurate measurements can be performed. Further, even if the object to be measured is changed during the process, the measurement can be continued without any correction.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、この発明が実施されるレーザスペックル速度
計の概略図、第2図は、同レーザスペックル速度計の信
号処理部の具体例を示す回路図、第3図は、従来のレー
ザスペックルによる速度測定を説明するための光学配置
を示す図である。 ll:レーザ光源、  12:投光光学系、13:移動
物体、   14:光電変換素子、17:信号処理部。 特許出願人        立石電機株式会社代理人 
    弁理士  中 村 茂 信第1図 ■ ]6 第2図
Fig. 1 is a schematic diagram of a laser speckle velocimeter in which the present invention is implemented, Fig. 2 is a circuit diagram showing a specific example of the signal processing section of the laser speckle velocimeter, and Fig. 3 is a schematic diagram of a conventional laser speckle velocimeter. FIG. 3 is a diagram showing an optical arrangement for explaining speed measurement using laser speckles. ll: Laser light source, 12: Light projecting optical system, 13: Moving object, 14: Photoelectric conversion element, 17: Signal processing unit. Patent applicant Tateishi Electric Co., Ltd. Agent
Patent Attorney Shigeru Nakamura Figure 1 ■ ] 6 Figure 2

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)光源よりのコヒーレント光を光学系で収束領域、
ウエスト領域及び拡散領域を持つ光ビームに変換し、前
記ウエスト領域に光電変換素子を設けるとともに、前記
収束領域に移動物体を配置し、前記光ビームを前記移動
物体に照射し、前記光電変換素子に得られるスペックル
パターン信号を信号処理部で処理して、移動速度を測定
するようにした物体の移動速度測定方法。
(1) Coherent light from a light source is converged by an optical system,
converting the light beam into a light beam having a waist region and a diffusion region, providing a photoelectric conversion element in the waist region, arranging a moving object in the convergence region, irradiating the light beam onto the moving object, and irradiating the light beam onto the photoelectric conversion element. A method for measuring the moving speed of an object in which the obtained speckle pattern signal is processed by a signal processing unit to measure the moving speed.
JP27723084A 1984-12-25 1984-12-25 Object moving speed measurement method Expired - Lifetime JPH0664075B2 (en)

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JP27723084A JPH0664075B2 (en) 1984-12-25 1984-12-25 Object moving speed measurement method
EP85116548A EP0189591A1 (en) 1984-12-25 1985-12-24 Method of and system for measuring velocity of moving object

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7499230B2 (en) 2006-04-10 2009-03-03 Sony Corporation Lens barrel, lens tilt adjusting method and imaging apparatus
JP2011123085A (en) * 2009-12-08 2011-06-23 Ricoh Co Ltd Detecting device and image-forming device

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